Pré-processamento dos resultados

Nenhum dos microsensores em análise apresenta como output resultados em unidades de concentração. Para tal, é necessário recorrer às funções do Microsoft Excel para realizar um pré- processamento dos resultados em bruto, no qual se procede à conversão de unidades.

Para o caso dos sensores que detetam compostos gasosos, as unidades obtidas são representadas em mV (tensão elétrica) ou Ohm (resistência elétrica). Por outro lado, no caso dos sensores de deteção de matéria particulada os resultados em bruto são fornecidos em contagem de partículas por volume de ar amostrado. Assim, os resultados obtidos pelos microsensores necessitam de ser convertidos para unidades de concentração de modo a poder realizar-se uma avaliação dos resultados, comparando-os com os resultados obtidos pelos equipamentos a operar com métodos de referência e com a legislação existente em matéria de qualidade do ar.

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O IDAD foi responsável pela conversão de unidades de apenas uma das seis equipas com microsensores em análise, a equipa 6. As restantes cinco equipas foram responsáveis por efetuar o próprio pré-processamento dos resultados, fornecendo ao IDAD os dados já convertidos em unidades de concentração.

A conversão de unidades da equipa 6 realizou-se através da criação de uma curva de calibração, que relaciona as respostas do microsensor com o instrumento de referência (EPA, 2014). Numa primeira fase, procedeu-se à conversão de unidades dos dados em bruto apresentados sob a forma de tensão elétrica (U) em mV, para resistência elétrica (Rs) em Ohm. Esta conversão realizou-se tendo em consideração a Equação 1, facultada pelo fabricante dos microsensores.

𝑅𝑠 [𝑂ℎ𝑚𝑠] = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠ã𝑜 𝑥 𝑈 [𝑚𝑉] Equação 1 A equação apresentada é utilizada recorrendo a diferentes fatores de conversão consoante o microsensor utilizado e o poluente medido. No caso da equipa em análise os fatores de conversão fornecidos apresentam valores de 200 para o O3 e NO2 e de 800 para o CO.

Numa segunda fase utilizaram-se as Equações 2 e 3, também sugeridas pelo fabricante, com o intuito de converter a resistência elétrica do sensor em concentração.

Equação 2

Equação 3 Onde a Rs, a resistência do semicondutor em Ohms, calculada através da Equação 1, é normalizada a 25°C utilizando a Equação 2, na qual T é a temperatura do ar ambiente em °C e k é o coeficiente de correção da temperatura (correspondendo geralmente a 0,05, de acordo com Gerboles et al., (2011). Na Equação 3 Cpoluente representa a concentração do poluente em unidades de concentração conforme o desejado (ppm, ppb, etc.) e, X0, X1, X2 e X3 são parâmetros específicos para cada microsensor, determinados recorrendo à função INDEX LINEST de Excel, conforme os dados de Rs(T) obtidos e a concentração de referência no mesmo período. No entanto, deve notar-se que se os sensores tivessem sido alvo de calibração prévia estes coeficientes poderiam ser fornecidos diretamente pelo fabricante.

Finalmente, importa referir que na fase de pré-processamento dos resultados também se realizou uma pré-avaliação na qual se verificaram os períodos em que os sensores não apresentaram um comportamento adequado à situação em análise. A pré-avaliação realiza-se através da comparação do comportamento dos microsensores com as curvas de referência. Através desta observação e tendo em consideração o valor do coeficiente de determinação (R2₎

excluem-se os períodos em que o comportamento dos microsensores não traduzem uma situação real.

A título exemplificativo encontra-se esquematizado todo o pré-processamento de dados com o procedimento de conversão de unidades e seleção dos períodos representativos para o microsensor de deteção de O3 baseado em óxidos metálicos semicondutores da equipa 6. No

𝑅𝑠(𝑇) = 𝑅𝑠 × 𝑒(𝑘𝑇1×(𝑇−25°𝐶))

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Anexo I constam as representações gráficas para os restantes microsensores, utilizados pela

equipa em análise, representando os dados horários antes e após a conversão de unidades, seguindo o mesmo processo de tratamento.

Com o intuito de obter os resultados em kOhm, inicialmente aplicou-se a Equação 1 aos dados em bruto, os quais se encontravam em Volts, com o fator de conversão de 200 para o O3.

Através das médias horárias dos dados em unidades de resistência elétrica do microsensor e dos dados em unidades de concentração do equipamento a operar com o método de referência obteve-se a Figura 21.

Figura 21 – Médias horárias da resistência elétrica do microsensor e da concentração medida pelo método de referência de O3.

A Figura 21, embora não possibilite fazer uma análise de correspondência de valores de concentração, permite observar o comportamento das diferentes tipologias de equipamentos de monitorização. Assim, verifica-se que até dia 20 de outubro o microsensor não apresentou grande variação nas medições e que existe um comportamento diferente entre as duas tipologias de equipamentos.

De modo a comprovar o referido anteriormente realizaram-se duas regressões lineares, representadas em gráficos de dispersão. A primeira (Figura 22) com os dados de todo o período da campanha de monitorização, enquanto a segunda (Figura 23) utiliza apenas os dados a partir do dia 20 de outubro.

Figura 22 – Regressão linear dos dados de O3 para todo o

período da campanha de monitorização.

Figura 23 – Regressão linear dos dados de O3 a partir

de dia 20 de outubro.

Nas Figuras 22 e 23 observam-se coeficientes de determinação de 0,229 e 0,365 respetivamente, concluindo-se que existe uma melhor correlação de dados quando os primeiros dias da campanha de monitorização são excluídos, indo de encontro ao mencionado

0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 300 C once nt raçã o (ppb) R s (kO hm )

sensor método de referência

R² = 0,2292 0 10 20 30 40 50 190 200 210 220 230 240 250 C once nt raçã o (ppb) Rs (KOhms) R² = 0,3653 0 10 20 30 40 50 190 200 210 220 230 240 250 C once nt raçã o (ppb) Rs (KOhms)

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anteriormente. Assim, nos passos seguintes os dados obtidos para o período de 14 a 19 de outubro não são considerados.

Com o objetivo de comparar as concentrações medidas pelos diferentes equipamentos utilizou- se a Equação 2 para corrigir a temperatura e a Equação 3 para transformar a resistência elétrica em concentração.

Uma vez que o fabricante dos microsensores utilizados indica que tipicamente k assume um valor de 0,05, numa primeira fase, na Equação 2 assumiu-se que k tinha o valor referido e calculou-se a Rs(T), Rs(T)2_{, Rs(T)}3 _{para cada instante. Posteriormente calcularam-se os} correspondentes coeficientes X0, X1, X2 e X3 da Equação 3, recorrendo aos parâmetros calculados

anteriormente, permitindo o cálculo da concentração de O3 para cada instante. Assim, na Figura

24 apresenta-se a regressão linear entre as concentrações de O3 obtidas recorrendo ao

microsensor e ao equipamento de referência.

Figura 24 – Regressão linear dos dados horários de O3 com k=0,05.

Com k=0,05 o coeficiente de determinação encontrado assume o valor de 0,627 e observa-se uma correlação moderada entre os dados obtidos através do microsensor e do equipamento a operar com o método de referência.

No entanto, uma vez que na realidade cada microsensor tem um comportamento diferente, o k presente na Equação 2 também pode ser diferente, sendo determinado por tentativa e erro, alterando o valor assumido inicialmente, a fim de se conseguir otimizar o resultado dos sensores em termos de correlação.

Assim, na Figura 25 apresenta-se a regressão linear entre as concentrações de O3 obtidas

recorrendo ao microsensor e ao equipamento de referência, assumindo o k com o valor que se traduz numa maior afinação de resultados (k=0,077) e, na Figura 26 observa-se a variação temporal das concentrações de O3 quando medidas pelos diferentes equipamentos.

R² = 0,6271 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 C once nt raçã o de r e fer ê nci a (ppb ) Concentração microsensor (ppb)

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Figura 25 – Regressão linear dos dados horários de O3 com

k=0,077.

Figura 26 – Variação temporal da concentração média horária de O3 com k=0,077.

Com k=0,07 o coeficiente de determinação encontrado é ligeiramente superior ao encontrado com k=0,05, assumindo o valor de 0,631, e observando-se igualmente uma correlação moderada entre os dados obtidos através do microsensor e do equipamento a operar com o método de referência.

Recorrendo à Figura 26, verifica-se que apesar das concentrações não apresentarem os mesmos valores, o comportamento dos equipamentos é semelhante. Conclui-se ainda que a amplitude de variação de concentrações é maior nas leituras efetuadas pelo equipamento de referência do que nas leituras efetuadas pelo microsensor podendo indicar maior sensibilidade do método de referência, tal como esperado.

Finalizado o pré-processamento de dados obtêm-se os valores de monitorização de poluentes em unidades de concentração para os períodos em que o sensor esteve a funcionar adequadamente, permitindo fazer uma análise comparativa de resultados.

Deve notar-se que o pré-processamento de dados, incluindo a pré-avaliação onde se verificam os períodos em que o sensor não apresenta um comportamento adequado, foi realizado por cada uma das equipas, excetuando a equipa 6. Assim, os resultados apresentados encontram- se afetados pelo pré-processamento realizado.